山區(qū)公路泥石流水毀災(zāi)害研究現(xiàn)狀與趨勢

陳洪凱，唐紅梅，朱繡竹，何曉英，唐 蘭

(重慶交通大學(xué) 巖土工程研究所，重慶 400074)

0 引 言

公路泥石流水毀災(zāi)害一直是我國山區(qū)公路的重大水毀類型，具有出現(xiàn)頻率高、分布范圍廣、災(zāi)情嚴(yán)重等基本特性，其防災(zāi)減災(zāi)長期得到公路管理部門的高度重視但卻從未得到有效解決。尤其是近十年來，在全球性地質(zhì)活動程度加劇、極端氣象條件頻繁出現(xiàn)的宏觀地學(xué)背景下，我國西部山區(qū)公路泥石流與山洪災(zāi)情急劇惡化，每年雨季我國公路泥石流水毀災(zāi)害損失30億元左右，如2006年7月20日，云南省蒙自縣境內(nèi)正在修建的蒙新高速公路第7、第8合同段出現(xiàn)局部地區(qū)單點(diǎn)暴雨，引發(fā)山洪災(zāi)害，造成14人死亡，21人失蹤，第7、第8合同段沿線施工道路、臨時房屋、預(yù)制場被洪水沖毀淹沒，經(jīng)濟(jì)損失超過3 000萬元；2009年4—7月，貴州省大部分地區(qū)不同程度遭受到強(qiáng)降雨襲擊，造成國道、省道和縣鄉(xiāng)道近80余條公路交通中斷，山洪、泥石流毀損路基、路面、橋梁和涵洞，僅黔東南地區(qū)國省干線公路共沖毀路基4.5 km、沖毀防護(hù)工程83處計11 505 m3、路基塌方133處及117 009 m3，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)448.5萬元；2012年四川省涼山彝族自治州喜德縣“8·13”洪災(zāi)，全縣累計沖毀縣道32.1 km、鄉(xiāng)道44 km、通村公路272 km、橋梁16座，交通基礎(chǔ)設(shè)施損毀估算達(dá)到2.7億元。

公路泥石流水毀災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)是山區(qū)公路建設(shè)及管理養(yǎng)護(hù)的重要環(huán)節(jié)。但迄今為止，我國公路泥石流水毀災(zāi)害防治關(guān)鍵支撐技術(shù)尚未科學(xué)構(gòu)建，公路管理部門仍然未將公路泥石流水毀災(zāi)害納入日常養(yǎng)護(hù)范疇，僅僅在公路泥石流水毀災(zāi)害出現(xiàn)后才組織實(shí)施災(zāi)害處治。隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略提檔升級，社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，研究構(gòu)建山區(qū)公路泥石流水毀災(zāi)害防治關(guān)鍵支撐技術(shù)，有效防治公路沿線尤其是沿河公路的泥石流與山洪災(zāi)害，確保山區(qū)公路交通運(yùn)輸安全、暢通、有序，既是國家層面迫切需求，也是公路減災(zāi)學(xué)科發(fā)展的邏輯需求。泥石流是一種典型的動力地貌過程，嚴(yán)重威脅著山區(qū)公路路基、橋梁、涵洞、擋防結(jié)構(gòu)等建構(gòu)筑物安全以及公路交通運(yùn)輸安全。從20世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外學(xué)者對公路泥石流水毀災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)進(jìn)行了大量研究與實(shí)踐，筆者從公路水毀機(jī)制、泥石流動力學(xué)、公路水毀危險性評價和公路水毀防治技術(shù)4個方面對現(xiàn)有成果進(jìn)行分析梳理，為推動山區(qū)公路水毀防災(zāi)減災(zāi)具有積極意義。

1 公路水毀機(jī)制

公路水毀機(jī)制是有效防治公路水毀災(zāi)害的重要基礎(chǔ)理論問題。陳洪凱，等[1]把泥石流與山洪對沿河公路結(jié)構(gòu)物的水毀作用概化為沖擊破壞和泥石流淤埋毀損兩方面，將山區(qū)公路路基水毀類型分成河流沖刷切割型、推擠錯位變動型、重力剪切破壞型和機(jī)械撞擊破壞型4類[2]，把公路泥石流災(zāi)害類型概化為橋臺泥石流水毀、上部結(jié)構(gòu)泥石流水毀、泥石流淤埋橋涵、橋臺基礎(chǔ)掏蝕、泥石流水毀路基等類型(圖1)[3]；沈波，等[4-6]通過沖刷模型試驗(yàn)，探討了流水對公路小橋涵沖淤特性的影響；田偉平，等[7-8]采用模型試驗(yàn)，分析了山洪對橋梁墩臺的沖刷問題，提出了最大沖刷深度計算式；梁鍇，等[9]采用數(shù)值模擬方法分析了水流沖刷作用下橋墩的穩(wěn)定性問題；鐘盈，等[10]和Chen Hongkai，等[11]初步了分析泥石流淤埋橋梁后的毀損機(jī)制問題，建立了泥石流沉積物固結(jié)應(yīng)力計算方法。

圖1 公路泥石流災(zāi)害類型Fig.1 Types of highway debris flow disaster

2 泥石流動力學(xué)

泥石流動力特性是進(jìn)行防治工程設(shè)計的荷載依據(jù)。R.A.Bagnold[12]早在20世紀(jì)50年代便通過轉(zhuǎn)筒剪切試驗(yàn)提出了流體中顆粒之間法向力和切向力計算公式；R.Kaitna，等[13]將垂直旋轉(zhuǎn)水槽和圓球測試系統(tǒng)相結(jié)合，獲得了Bingham流變模型和Herschel Bulkley流變模型的相關(guān)參數(shù)；M.Shibata，等[14]揭示了水-顆?；旌衔锪髟谒蹆?nèi)的流速分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)混合物表面的清水層具有一定的潤滑作用，加速顆粒運(yùn)動；S.B.Savage[15]通過水槽試驗(yàn)分析了無黏性顆粒流的邊壁摩擦、龍頭躍動和顆粒彈跳等動力學(xué)作用；周必凡[16]基于顆粒流模型建立了黏性泥石流阻力方程和勻速流動方程；T.Takahashi[17]通過水槽試驗(yàn)分析了泥石流頭部顆粒動力分選力學(xué)機(jī)制；R.M.Iverson，等[18]分析了顆粒流中具有較大摩擦作用的頭部與其后部流化碎屑之間的相互作用問題；M.C.Armento，等[19]針對意大利Cortina d’Ampezzo地區(qū)的泥石流，運(yùn)用一維DAN-W模型分析了泥石流的動力特性；魏鴻[20]通過室內(nèi)試驗(yàn)建立了泥石流龍頭對壩體的沖擊力計算公式；Hu Kaiheng，等[21]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，固相顆粒在泥石流體內(nèi)不同深度處顆粒的沖擊力峰值出現(xiàn)時間不同步；陳洪凱，等[22-23]將泥石流視為固液兩相流體，提出了泥石流固液分相流速計算方法和泥石流沖擊力計算方法；陳洪凱，等[24-25]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)分析了溝谷泥石流運(yùn)動過程，建立了泥石流沖擊譜小波消噪方法[26]，分析了泥石流沖擊頻率特性[27]及泥石流沖擊信號能量分布規(guī)律[28]；考慮到泥石流磨蝕作用對防治結(jié)構(gòu)使用壽命的影響，Chen Hongkai，等[29]采用量綱分析法和兩相流理論分析了泥石流對混凝土結(jié)構(gòu)的磨蝕問題；唐紅梅，等[30]提出了泥石流排導(dǎo)槽內(nèi)泥石流拋程估算方法。

3 公路水毀危險性評價

合理評估相關(guān)地區(qū)的公路水毀災(zāi)情，是公路養(yǎng)護(hù)工作的重要環(huán)節(jié)之一。程尊蘭，等[31]開展了公路水毀的危險度分段研究；崔伯恩，等[32]對水毀環(huán)境評價指標(biāo)、水毀毀損等級劃分、水毀環(huán)境區(qū)劃等方面開展了研究；李家春，等[33]提出了公路邊坡水毀災(zāi)害快速評估方法；王亞玲，等[34]構(gòu)建了小橋涵水毀評價體系；方向池[35]提出了公路水毀經(jīng)濟(jì)評估方法；R.M.Carrasco，等[36]采用GIS技術(shù)和統(tǒng)計方法建立了用于山洪災(zāi)害危險區(qū)識別的暴雨洪水-滑坡分析法；M.Y.E.Angillier[37]提出了洪災(zāi)誘發(fā)滑坡危險性的評價方法；Lin Jengwen，等[38]基于Kalman濾波建立了臺灣地區(qū)的暴雨泥石流災(zāi)害危險性評價模型；D.Tiranti，等[39]發(fā)現(xiàn)暴雨和長歷時降雨作用下易于誘發(fā)泥石流災(zāi)害；C.Irigaray，等[40]強(qiáng)調(diào)下墊面巖土介質(zhì)的易損性對于規(guī)避公路水毀災(zāi)害風(fēng)險的重要性；尹江濤，等[41]建立了公路水毀災(zāi)害評價方法，并開發(fā)其決策支持系統(tǒng)；陳遠(yuǎn)川，等[42]針對橫斷山區(qū)的美姑河流域，提出了橫向穿越小流域溝口公路的水毀危險性評價方法。

4 公路水毀防治技術(shù)

公路水毀防治技術(shù)長期得到國內(nèi)學(xué)者及政府部門的高度重視，有丁壩防護(hù)、擋土墻配合護(hù)坦防護(hù)、改移河道、土釘加固、排樁、攔渣壩等技術(shù)類型[43]。王玉萍[44]對山區(qū)公路路基防護(hù)的浸水擋土墻、漿砌片石護(hù)坡、護(hù)面墻、護(hù)肩、護(hù)裙和攔水墻設(shè)計進(jìn)行分析，探討了不同類型防護(hù)結(jié)構(gòu)物的作用和適用條件；陳寧生，等[45]研究了山區(qū)道路泥石流災(zāi)害防治，提出了參考性的山區(qū)道路泥石流災(zāi)害的防治原則、模式和對策；喬國文[46]以G217線K970+564～K970+839段天山公路的沿河公路為例，研究了該段山區(qū)沿河公路的水毀特征，水毀防護(hù)結(jié)構(gòu)物現(xiàn)狀，因地制宜，采用護(hù)墻-剛性丁壩群、護(hù)墻-柔性丁壩群和護(hù)墻-磯頭壩3種合理的沿河公路水毀工程防護(hù)結(jié)構(gòu)物型式，山洪頻率以50 a一遇的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，從技術(shù)、施工和經(jīng)濟(jì)條件幾方面開展了方案綜合比選，實(shí)現(xiàn)了沿河公路水毀防護(hù)型式的最優(yōu)化決策，可為我國新疆天山公路水毀防護(hù)工程建設(shè)提供借鑒和依據(jù)；文聯(lián)勇，等[47]詳細(xì)論證了排導(dǎo)、攔擋、固源、截水分流等措施在公路泥石流防治工程中的效果和局限性，通過比選和設(shè)計，論證了“水石分離”綜合治理措施的可行性和治理效果，為大型公路泥石流治理提供了新的思路。目前我國對泥石流災(zāi)害的防治手段主要有攔擋工程(攔擋壩、格柵壩、梳齒壩等)、排導(dǎo)工程(排導(dǎo)槽、渡槽)、護(hù)坡固底工程(護(hù)坡?lián)鯄?、谷坊壩群、潛壩或肋板、護(hù)坡導(dǎo)流堤)、生物工程等；朱方海，等[48]對公路水毀的丁壩防護(hù)的合理形式。針對公路泥石流災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)，陳洪凱，等[49]開發(fā)了速流結(jié)構(gòu)、泥石流隧道及翼型墩匯流結(jié)構(gòu)等10余種公路泥石流防治技術(shù)，集成了攔-匯-排等多種綜合治理模式，如圖2～圖7，并構(gòu)建了每類核心技術(shù)的工程計算、優(yōu)化設(shè)計和施工方法[3]，采用護(hù)岸結(jié)構(gòu)、速流結(jié)構(gòu)、抗沖擊結(jié)構(gòu)、攔渣壩、消能坎等技術(shù)在川藏公路四川段實(shí)施了30余個大型泥石流災(zāi)害治理工程，治理效果顯著[50]。

圖2 底越式排導(dǎo)結(jié)構(gòu)Fig.2 Bottom row of the guide structure

圖3 頂越式排導(dǎo)結(jié)構(gòu)Fig.3 Top row of the guide structure

圖4 泥石流隧道Fig.4 Debris flow tunnel

圖5 護(hù)岸與挑壩結(jié)構(gòu)Fig.5 Bank protection and pack dam structure

圖6 沿河公路雙曲路基防護(hù)結(jié)構(gòu)Fig.6 Hyperbolic roadbed protection structure along the river road

圖7 路基缺口部位組合式應(yīng)急橋梁Fig.7 Combined emergency bridge at roadbed gap

5 山區(qū)公路泥石流水毀災(zāi)害研究趨勢

綜上可見，目前國內(nèi)外在公路泥石流水毀災(zāi)害減災(zāi)理論及防治研究中，在泥石流動力特性尤其是從泥沙運(yùn)動角度方面[51]，研究歷時最長，研究最深入，但在泥石流沖擊荷載如沖擊力、磨蝕力研究方面進(jìn)展緩慢，缺乏對泥石流磨蝕作用及泥石流沉積物固結(jié)機(jī)理的研究；工程技術(shù)界重視公路水毀防治技術(shù)研究，但是系統(tǒng)性不強(qiáng)，防治技術(shù)的工程計算、設(shè)計和施工方法不全面，實(shí)用性較差，缺乏對泥石流淤埋路段、沿河公路路基缺口部位公路交通應(yīng)急通行技術(shù)研究；在沿河公路水毀機(jī)制研究方面，國內(nèi)外學(xué)者主要從水力學(xué)及模型試驗(yàn)角度探索公路水毀問題，但是尚未構(gòu)建沿河公路水毀分類系統(tǒng)，并據(jù)此開展沿河公路路基及橋涵水毀力學(xué)機(jī)制深入系統(tǒng)研究；而公路水毀災(zāi)害危險性評價研究是目前國內(nèi)外學(xué)者比較關(guān)注的方向，尤其在基于GIS技術(shù)進(jìn)行區(qū)域性地質(zhì)災(zāi)害危險性評價研究方面，進(jìn)展較快，但是這些研究對于公路水毀危險性評估而言，指標(biāo)選取及其量化的科學(xué)性有待進(jìn)一步論證、提高。鑒于此，為了適應(yīng)當(dāng)前及今后相當(dāng)長時間內(nèi)公路泥石流水毀災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)需求，必須對山區(qū)公路泥石流水毀防災(zāi)減災(zāi)中的重大關(guān)鍵科學(xué)問題開展進(jìn)一步深入系統(tǒng)研究中，尤其應(yīng)關(guān)注下述4個方面內(nèi)容。

5.1 泥石流復(fù)雜介質(zhì)動力學(xué)特性

泥石流體是一種多相復(fù)雜介質(zhì)[51-52]，組分之間的相互作用直接關(guān)系到泥石流動力特性的宏觀表象，從泥石流體本質(zhì)特性出發(fā)探索泥石流動力特性是泥石流動力學(xué)發(fā)展的必然趨勢。為此，需采用復(fù)雜介質(zhì)力學(xué)、兩相流理論等實(shí)施泥石流體本構(gòu)模型及其沖擊、磨蝕動力學(xué)特性研究，構(gòu)建泥石流沖擊力及磨蝕力計算方法；并通過敏感性模型試驗(yàn)及相似模型試驗(yàn)，揭示不同黏度泥石流漿體及級配固相顆粒組合條件下泥石流沖擊特性的變化規(guī)律，如泥石流沖擊譜及其頻率和能量分布特性。研究成果可為建立具有重要工程實(shí)用價值的泥石流沖擊力、磨蝕力計算方法以及量化泥石流沖擊動力效應(yīng)提供理論基礎(chǔ)，為沿河公路水毀防治工程設(shè)計提供可靠的荷載依據(jù)，增強(qiáng)泥石流防治工程設(shè)計的科學(xué)性。

5.2 沿河公路路基及橋涵水毀機(jī)制

路基及橋涵水毀是山區(qū)沿河公路水毀的主要類型，包括路基缺口、路基沉陷、路基沖蝕、橋涵垮塌、橋涵大變形等方面，其變形及破壞機(jī)制是有效防治沿河公路水毀災(zāi)害必需的理論依據(jù)，關(guān)系到減災(zāi)方案的擬定、治理技術(shù)的選用及新技術(shù)研發(fā)思路等。為此，針對公路泥石流和沿河公路水毀問題，需采用現(xiàn)場調(diào)查、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析等研究手段，進(jìn)行沿河公路路基及橋梁水毀機(jī)制深入系統(tǒng)研究，揭示沿河公路不同水毀類型的演化規(guī)律，分析橋涵結(jié)構(gòu)在泥石流沖擊磨蝕和淤埋作用下的受荷損傷及破壞特性。研究成果為研發(fā)沿河公路路基及橋涵水毀減災(zāi)技術(shù)具有積極指導(dǎo)借鑒作用。

5.3 公路水毀路段應(yīng)急通行技術(shù)

公路水毀路段應(yīng)急通行技術(shù)是山區(qū)公路水毀災(zāi)害防治的薄弱環(huán)節(jié)[3]，尤其是大型及特大型泥石流暴發(fā)后被泥石流沉積物淤埋路段、沿河公路路基及橋涵水毀后的公路交通應(yīng)急通行問題，制約著山區(qū)公路交通建設(shè)和區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為此，需針對厚層泥石流沉積物淤埋路段、沿河公路路基水毀缺口及沖蝕路段公路交通的應(yīng)急通行問題，采用模型試驗(yàn)、理論分析等研究手段，進(jìn)行厚層泥石流沉積物蠕變固結(jié)過程、泥石流沉積物承載力變化特性研究，研發(fā)公路水毀路段公路交通應(yīng)急通行技術(shù)。

5.4 公路泥石流水毀災(zāi)害應(yīng)急安全警報方法、系統(tǒng)與設(shè)備

泥石流暴發(fā)具有突發(fā)性，高速運(yùn)動的泥石流體威脅著穿越泥石流溝及沿泥石流溝岸展布的公路建構(gòu)筑物的安全，威脅著相應(yīng)路段的公路交通及行人安全，進(jìn)行泥石流災(zāi)害應(yīng)急安全警報研究，消除泥石流暴發(fā)期間的公路交通運(yùn)輸及行人安全隱患[53]，是當(dāng)前公路地質(zhì)減災(zāi)的重要環(huán)節(jié)之一。為此，針對穿越泥石流溝的公路，采用現(xiàn)代通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、計算機(jī)系統(tǒng)等研究手段，遴選泥石流信號，研發(fā)信號采集、傳輸及安全警報專用設(shè)備，構(gòu)建泥石流致災(zāi)路段公路交通的應(yīng)急安全警報系統(tǒng)，保障致災(zāi)路段公路交通及行人安全。

6 結(jié) 語

泥石流水毀災(zāi)害是山區(qū)公路重要地質(zhì)災(zāi)害類型，其減災(zāi)理論與減災(zāi)技術(shù)長期受到國內(nèi)外學(xué)者及政府管理部門的共同關(guān)注，并予以系統(tǒng)研究。研究成果可概化為公路水毀機(jī)制、泥石流動力學(xué)、公路水毀危險性評價和公路水毀防治技術(shù)4個方面。筆者詳細(xì)總結(jié)、梳理了山區(qū)公路泥石流水毀災(zāi)害的研究現(xiàn)狀，科學(xué)分析了現(xiàn)有研究存在的薄弱環(huán)節(jié)，據(jù)此提出了進(jìn)一步實(shí)施山區(qū)公路泥石流水毀災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)研究的4個方向，即泥石流復(fù)雜介質(zhì)動力學(xué)特性、沿河公路路基及橋涵水毀機(jī)制、公路水毀路段應(yīng)急通行技術(shù)、公路泥石流水毀災(zāi)害應(yīng)急安全警報方法、系統(tǒng)與設(shè)備，詳細(xì)解讀了每個研究方向的主要思路。研究成果對推動我國山區(qū)公路水毀災(zāi)害研究與防治有積極意義。

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